黃耀武

摘 要：吸嘴是吸塵車(chē)的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)吸嘴的吸塵性能具有重要影響，如何優(yōu)化吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)是眾多企業(yè)亟待解決的問(wèn)題，本文以空氣匯流、起塵動(dòng)力學(xué)以及封閉氣幕為理論基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，以吸嘴壓力損失最小為目標(biāo)，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，優(yōu)化后具有條縫狀氣幕噴口的吸嘴對(duì)灰塵顆粒有更好的吸塵效果，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：吸塵車(chē) 吸嘴 優(yōu)化設(shè)計(jì)

Research on the Optimal Design of the Structure Parameters of the Suction Nozzle of the Vacuum Truck

Huang Yaowu

Abstract：The suction nozzle is the core component of the vacuum vehicle， and its structural parameters have an important impact on the suction performance of the suction nozzle. How to optimize the structural parameters of the suction nozzle is an urgent problem for many companies to solve. This article uses air confluence and dust emission dynamics， and the closed air curtain is the theoretical basis. Through the analysis of structural parameters， with the goal of minimizing the pressure loss of the suction nozzle， the structural parameters are optimized， which has a better dust collection effect and achieves the goal of optimized design.

Key words：vacuum cleaner， suction nozzle， optimized design

1 引言

吸塵車(chē)在工作過(guò)程中，風(fēng)機(jī)將箱體內(nèi)的空氣抽出，從而形成負(fù)壓，然后利用吸嘴將含塵空氣吸入到除塵系統(tǒng)中，吸嘴作為吸塵系統(tǒng)和外界連接的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的好壞對(duì)吸塵性能具有重要影響，本文通過(guò)對(duì)吸嘴的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，構(gòu)建優(yōu)化后吸嘴的模型，并利用ANSYS中的Fluent模塊對(duì)其進(jìn)行仿真分析，基于此方法對(duì)優(yōu)化其他不同工作要求的吸嘴具有重大指導(dǎo)意義。

2 塵粒受力分析

2.1 吸嘴內(nèi)部力學(xué)分析

吸嘴在工作過(guò)程中，內(nèi)部的氣流速度很大，層流被破壞，流場(chǎng)中伴有很多小滋渦，相鄰層流不但有滑動(dòng)，還有混合，因此形成湍流，在湍流的影響下，作用于塵粒上的載荷主要有以下四種，即：迎風(fēng)阻力、沖擊力、上升力以及塵粒自身重力。

（1）迎風(fēng)阻力

塵粒進(jìn)入吸嘴內(nèi)部，會(huì)和氣流產(chǎn)生摩擦，其摩擦力作用于塵粒的表面，因塵粒具有不同的幾何形狀，當(dāng)摩擦力作用于塵粒頂部時(shí)，氣流流線發(fā)生分離，并在塵粒的背面形成渦流，這就使得塵粒的背風(fēng)面和迎風(fēng)面形成一定的壓差，稱(chēng)之為壓差阻力，如果塵粒的幾何形狀接近于球體，那么該阻力作用的方向通過(guò)塵粒的重心，迎風(fēng)阻力的公式為：

式中：

ρ—空氣密度;

ur—塵粒和氣流的相對(duì)速度;

d—塵粒直徑;

CD—阻力系數(shù);

（2）沖擊力

塵粒之間相互碰撞引起的作用力，在一定時(shí)間間隔內(nèi)的作用力沖量等于質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量的變化，即：

式中：

S—沖量;

t—力作用的時(shí)間;

m—塵粒質(zhì)量;

u1、u2—塵粒碰撞前后速度;

（3）上升力

塵粒的上升力主要是由氣流速度的改變和塵粒自身的旋轉(zhuǎn)引起的，在氣流作用下單個(gè)塵粒的上升力為：

式中：

V—塵粒旋轉(zhuǎn)速度;

ur—塵粒和氣流的相對(duì)速度;

d—塵粒直徑;

ρ—空氣密度;

（4）各作用力影響對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，塵粒所受的載荷類(lèi)型中，沖擊力最大，大約是塵粒重力的幾十倍，其次是迎風(fēng)阻力，其大小和塵粒自身的重力相等，最小的是上升力，只有塵粒自身重力的幾十分之一。

2.2 塵粒起跳機(jī)理

當(dāng)塵粒在風(fēng)力的作用下，部分塵力所受的風(fēng)速將達(dá)到臨界值，此時(shí)，塵粒在湍流的影響下產(chǎn)生振動(dòng)，塵粒達(dá)到臨界風(fēng)速開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，塵粒的迎風(fēng)阻力和重力相等，因此可推導(dǎo)出粒徑和塵粒起跳臨界速度的關(guān)系式：

式中：

Q—臨界起跳速度;

ρp—塵粒密度;

ρ—?dú)饬髅芏?

K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù);

其中，塵粒起跳臨界速度可通過(guò)查表獲得，如表1所示。

3 封閉氣幕計(jì)算分析

3.1 構(gòu)建氣幕數(shù)學(xué)模型及軌跡方程

吸塵口處的壓力和外界大氣壓具有一定的壓差，故而形成氣幕射流，因吸嘴的氣幕噴口寬度是一致的，且噴口噴出的氣幕速度基本相等，因此可以把條縫狀噴口的氣幕射流簡(jiǎn)化成二維射流，由此，可以把吸嘴氣幕射流的數(shù)學(xué)模型等效為二維氣幕射流的流體力學(xué)方程，如圖1所示。

本文以氣幕軸心線與地面相交作為吸嘴完全封閉的標(biāo)志，吸嘴氣幕噴口為條縫型，設(shè)寬度為2b，則氣幕射流軸心彎曲軌跡方程為：

式中：

v0—?dú)饽簧淞魉俣?

a0—噴射角度;

b0—吸嘴反吹噴口寬度的一半;

w—橫向氣流速度;

由此可知在噴射角度a0一定的情況下，可確定氣幕射流軸心彎曲軌跡方程A。

3.2 吸嘴吸塵口氣流的流動(dòng)規(guī)律

當(dāng)箱體內(nèi)的空氣逐漸被抽出時(shí)，吸嘴吸塵口將形成負(fù)壓區(qū)，從而時(shí)吸嘴內(nèi)部的壓力和大氣壓存在一定的壓差，在此壓差作用下，負(fù)壓區(qū)的塵粒被吸入吸嘴，并形成吸入氣流，吸塵口處氣流速度分布具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：

（1）對(duì)于吸塵口的等速面，越遠(yuǎn)離吸塵口，等速面逐漸變成橢球面;

（2）當(dāng)吸塵口的形狀一定時(shí)，其等速面形狀基本固定，與風(fēng)速的大小無(wú)關(guān)，吸塵口的形狀不同，其氣流衰減規(guī)律也不一樣。

4 吸嘴的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 吸嘴主要參數(shù)

吸嘴的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：收縮角α、傾斜角β、吸嘴長(zhǎng)度L、寬度B、內(nèi)腔高度H以及吸塵口面積S，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

4.2 建立吸嘴優(yōu)化方程及模型

優(yōu)化后的吸嘴，氣流在腔內(nèi)的分布應(yīng)盡可能均勻，此外，吸嘴在作業(yè)過(guò)程中的能量損失應(yīng)盡可能小，本文以收縮角α、傾斜角β為設(shè)計(jì)變量，以吸嘴吸塵部分的局部壓力損失最小為目標(biāo)，從而對(duì)吸嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化取值，吸嘴吸塵部分的局部壓力損失可用如下公司進(jìn)行近似計(jì)算：

式中：

K1—漸縮區(qū)域局部壓力損失系數(shù);

n—吸嘴收縮度;

a—吸嘴收縮角;

式中：

K2—直管段壓力損失系數(shù);

β—直管傾斜角;

則吸嘴部分總的局部壓力損失為：

構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)min（△P），擇優(yōu)確定吸嘴的主要參數(shù)，優(yōu)化后的收縮角α=117°、傾斜角β=60、吸嘴長(zhǎng)度L=0.14m、寬度B=0.4m、內(nèi)腔高度H=0.025m以及吸塵口面積S=0.12m2。在此基礎(chǔ)上，建立吸嘴的參數(shù)化模型，如圖3所示。

4.3 吸嘴內(nèi)部氣流仿真對(duì)比

吸塵車(chē)的吸嘴在結(jié)構(gòu)布局上為左右對(duì)稱(chēng)形式，為了提高仿真效率，本文只取對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中的一半，分別對(duì)優(yōu)化前以及優(yōu)化后的吸嘴進(jìn)行仿真分析，圖4（a）、（b）為優(yōu)化前及優(yōu)化后吸嘴在縱向的氣流速度矢量分布圖。

從圖中可以看出，優(yōu)化后吸嘴主要以射流的形式，將吸嘴腔內(nèi)的空氣從條縫狀噴口中噴出，形成條縫狀射流氣幕，并將塵粒罩住，能夠有效促進(jìn)罩內(nèi)的塵粒進(jìn)去吸嘴腔。相比優(yōu)化前的吸嘴，其控制范圍得到有效增加。

圖5（a）、（b）分別為優(yōu)化前及優(yōu)化后吸嘴在橫向的氣流速度矢量分布圖。

從圖中可以看出，優(yōu)化前的吸嘴從前端進(jìn)氣面進(jìn)入吸嘴內(nèi)部的氣流速度是逐漸降低的，這說(shuō)明優(yōu)化前的吸嘴在抑塵效果方面并不是很理想，大部分氣流直接從吸塵口排出，反觀優(yōu)化后的吸嘴，氣流主要分布在吸嘴的中下部，離吸塵口越近，氣流速度值越大，有很好的抑塵效果。

5 結(jié)論

本文分析了吸嘴結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)對(duì)吸塵車(chē)吸嘴吸塵性能的影響，以吸嘴內(nèi)腔局部壓力損失最小為目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬和性能分析，結(jié)果表明，優(yōu)化后具有條縫狀氣幕噴口的吸嘴，其對(duì)地面上的灰塵顆粒有更好的吸塵效果，并且吸塵的距離更遠(yuǎn)，范圍更大，優(yōu)化效果明顯，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

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